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ハーバード大学の Benjamin de Bivort の研究室は Groundhog Day です ショウジョウバエ用。 de Bivort のバージョンでは、ハエは暗いトンネルを歩くか、明るいトンネルを歩くかを選択する必要があります。選択したら、THWOOP！ — バキュームがハエを開始点まで吸い込み、そこで再び決定を下す必要があります。何度も何度も…
個々のハエのスコアを追跡する仕掛けにより、ハエごとに行動がどのように変化するかを分析できます。 de Bivot が最初にそれを使用したときに発見したことは、彼を驚かせました。ハエが多かれ少なかれ遺伝的に同一であり、同じ条件下で飼育されていたとしても、動物の行動は彼が予想していたよりもはるかに多様でした. 「遺伝学を一定に保ち、環境をほぼ一定に保っている場合でも、多くのバリエーションが見られます」と de Bivort 氏は述べています。
De Bivort と彼のチームは現在、この現象を詳細に調査しており、その予想外の個性を駆り立てるものを発見したいと考えています。彼は、異なるハエの系統が異なるレベルの変動性を示すことを発見しました。いくつかの株は、よく訓練された兵士の軍隊のようなもので、それぞれのハエが隣人を反映しています.他の系統は、ダンサーの野生のグループに似ており、個人が独自のビートに移動します。兵士とダンサーの系統を比較することで、de Bivort は、これらの違いの根底にある可能性のある遺伝子と神経回路の両方を特定したと考えています.
ドレスデンにあるドイツ神経変性疾患センターの神経生物学者であるゲルト・ケンパーマンは、「彼らは、変異自体が遺伝的形質である可能性があることを示唆しています。 「それは新しくて興味深いひねりです。」言い換えれば、自然淘汰は、同じ結果を生み出すバリアントよりも、さまざまな行動 (ワイルド ダンサー) を生み出す遺伝子バリアントを好むことがあります。
Quanta Magazine のキャサリン・テイラー
ビデオ: De Bivort のチームは、個人の行動を研究するため、fly-vac と呼ばれる装置を開発しました。チャンバーに入ると、ハエは明るい端または暗い端に向かって歩くことを選択する必要があります。その後、掃除機がそれを開始点に吸い戻し、再び選択を行います。
De Bivort の研究は、なぜ自然がこれほど多くの変動性を生み出すのかを理解するためのより大きな取り組みの一部です。それは、すべての生物に影響を与えるランダム突然変異の単なる副作用ですか?それとも、自然淘汰は変動性に報い、それを生み出す突然変異を好むのでしょうか?多様な集団は、変化する状況を生き残る可能性が高くなる可能性があります。季節の異なる時期に種をまく樹木は、一度にすべての種をまき散らす樹木よりも、早い霜や遅い雨に対してより耐性があります。
イリノイ大学アーバナシャンペーン校の生物学者であるアリソン・ベルは、「分散自体が個人間または遺伝子型間で異なる可能性のある特性であるかどうかは、重要な意味を持ち、潜在的に魅力的ですが、研究は非常に困難です. de Bivort が行っているように、遺伝的に同一またはほぼ同一の系統のハエを比較することは、「この問題を解決するための最良の戦術です」。
悪い品種
バフ オーピントン チキンは、極度の親しみやすさで知られるチキン界の愛犬です。しかし、この品種は時々厄介な鳴き声を孵化させ、ブリーダーを失望させます。バフだけではありません。この種のバリエーションは、農場と研究室の両方で広まっています。研究のためにマウスやハエを繁殖させている科学者は、同様の問題に遭遇しています。それを封じ込めるための研究者の最善の努力にもかかわらず、個人差は存続します。
「ほとんどの人にとって、これは実験の誤差範囲です」と de Bivort 氏は述べています。科学者は、個体差による雑音を取り除くために、日常的に多数の動物を含めています。
ほとんどの科学者が問題を認識しているところに、de Bivort は機会を見出しました。個体ではなく動物の群れに焦点を当てると、潜在的に興味深い一連の情報が無視されます。たとえば、ハエのグループが平均して明るい方と暗い方に同じ割合で飛んでいると想像してみてください。この動作は、個々のハエには好みがなく、各オプションをランダムに選択するためである可能性があります。または、個々のハエが強い好みを持っている可能性があり、全体のグループは 50% が明るいものを好み、50% が暗いものを好みます。
De Bivort のチームは、個人の行動を追跡するように設計された一連のデバイスを使用して、これらの可能性を区別することに着手しました。 グラウンドホッグの日 ガジェット — 正式には fly vac と呼ばれる — には 32 のチャンバーが含まれています。各チャンバーは、単一のハエを監視します。自動追跡ツールは、明暗の好み、決定にかかる時間、ハエの全体的な活動レベルなど、さまざまな行動に関するデータを収集します。 2 時間の試行の間に、各ハエは最大 40 の選択肢を作ることができます。実験的なアンサンブルは、研究者に膨大な量のデータを提供します。
de Bivort の研究室の別の装置では、ハエが小さな Y 字型の迷路をさまよい、Y の頂点で左に歩くか右に歩くかを選択します。カメラの注意深い目の下にある迷路のトレイにより、研究者は、それぞれが迷路を何度も歩くときに、個々のハエのスコアを同時に研究できます。これらのツールを使用すると、バリエーションは「副作用や問題ではなく、生物学的現象になります」と Kempermann 氏は述べています。
Quanta Magazine のキャサリン・テイラー
ビデオ: この Y 字型迷路の配列により、研究者は多くのハエの個々の行動を同時に追跡できます。ハエは迷路を歩き回るとき、左に曲がるか右に曲がるかを決定する必要があります。
De Bivort のグループは、150 種類のハエの「利き手」 (左または右に曲がる傾向) を分析しました。彼らは、左利き、右利き、およびその間のすべてのもので、ハエごとに大きく異なる株があることを発見しました.他の菌株は変動がはるかに少なく、個人は左または右に対して軽度の好みしか示しませんでした. De Bivort は、変異の原因の 1 つがショウジョウバエの DNA に組み込まれているに違いないと結論付けました。
不足している成分
変異性の高い株と、より均一な品種との違いは何ですか?研究者らは、テネウリン-A と呼ばれる遺伝子を含む、脳内で活性ないくつかの候補遺伝子を特定しました。 de Bivort の研究室の研究者である Julien Ayroles が、ハエが成虫になる過程でその遺伝子をブロックすると、変異が増加しました。より両手利きで始めたグループは、左と右の好みの範囲を開発しました。この調査結果は、特定の変異が多様性を生み出すという考えを支持しています。
Ayroles が遺伝的手がかりを探していたとき、研究室の別の研究者である Sean Buchanan が脳の検査を開始しました。彼は一連の遺伝子工学のトリックを使用して、特定のニューロンの活動を促進または抑制し、動物の利き手への変化を探しました。ブキャナンは、セントラルコンプレックスと呼ばれる脳領域の特定のニューロンセットを操作することで、変動性を高めることができることを発見しました.この領域は、感覚情報の処理と動きの制御に不可欠です。
さらに、テネウリン-A は脳のこの部分で発現し、適切に形成するために必要です。この事実は、テネウリン A と中枢複合体という 2 つの要因が何らかの形で連携して変動を促進していることを示唆していますが、正確な方法はまだ明らかになっていません.
ただし、De Bivort にはいくつかのアイデアがあります。科学者たちは、テネウリン-A がニューロンがどのように結合するかを決定するのに役立つことを知っています。このプロセスを、テネウリン-A がニューロンの色を変化させ、ニューロンが同じ色の他のニューロンにのみ接続できる色分けスキームとして想像してみてください。赤、黄、青の 3 つのセルのセットが 2 つある場合、考えられる構成は 1 つだけです。しかし、テネウリン-A の別のバージョンが 6 つの細胞すべてを赤くした場合、それらはさまざまな方法で結合することができます。このようにして、テネウリン A は、遺伝的に同一の個人であっても、新しい神経配線の可能性を生み出すことができます.
初期の影響
人間の個性の性質について、このように何が明らかになるでしょうか?この時点で、それは明らかではありません。 「ハエの脳は哺乳類の脳ほど可塑的ではありません」とケンパーマンは言いました。これは、哺乳類の神経配線がはるかに柔軟で、個人の経験に応じて変化することを意味します。 「[ハエの脳] の多くはハードワイヤードです。」
もちろん、人間の場合、その人が育った環境が大きな役割を果たします。 De Bivort のチームは、このようなばらつきを排除するために最善を尽くしました。彼らはハエの生活条件を標準化し、一部の動物を隔離して飼育し、社会生活の違いを根絶しました。 (また、ハエの近交系を使用することで、遺伝的差異を最小限に抑えました。)
これらの予防策にもかかわらず、遺伝子や環境の小さな検出困難な変化が変異に寄与する可能性があります.たとえば、開発の初期に偶然の出来事が発散行動を引き起こす可能性があります。おそらく、ある卵は別の卵よりも少し多くの食物を摂取しました。その小さな差は、時間の経過とともに拡大する可能性があります。ハエが同じように育ったと仮定することは、「人間の双子が大人になるまで同じ経験をしたと言うようなものです」と、カリフォルニア大学デービス校の生物学者であるジュディ・スタンプスは言いました.
Science に掲載されたマウスの研究 2013 年には、初期の違いがいかに深刻であるかを示しています。ケンパーマンと共同研究者は、同じ環境で同じ系統のマウスを飼育しました。この環境は、探索する興味深い場所と遊ぶためのオブジェクトでいっぱいです。時間の経過とともに、マウスはさまざまな個性を発達させました。一部の動物はより大胆になり、他の動物はより寡黙になりました。違いの正確な原因はわかっていませんが、科学者は、特定のオブジェクトまたは他のマウスとの初期の相互作用が正のフィードバック ループを開始する可能性があると理論付けています。大胆なマウスは新しい感覚にさらされ、さらに好奇心が強くなります。
De Bivort はハエでも同様の実験を行っており、豊かな生息地でハエを飼育し、行動の変化を探しています。予備的な結果は、エンリッチメント (感覚を刺激する環境を提供すること) は、特定の方法で変動性を増加させることができるが、他の方法では増加させないことを示唆しています.
「私にとって問題は、なぜ個人が違うのかということではなく、『なぜ同じであると期待できるのか』ということです」とスタンプスは言いました。 「あなたがそれを期待する唯一の理由は、遺伝子だけが重要だと考えているからです。」
支援または妨害
個人差を研究している科学者にとって、最大の未解決の問題の 1 つは、それが存在する理由です。それは個人や集団にとって有益ですか、それとも有害ですか？ヒューストンにあるライス大学の生物学者である Julia Saltz は、次のように述べています。
遺伝子の一部のバージョンは、単に品質管理が不十分で、見掛け倒しで一貫性のない製品を送り出す可能性があります. (科学者はこれを発達上の不安定性と呼び、一般的には有害であると考えています。) あるいは、何らかの変動性があると、より強い緊張が生じる可能性があります。 「あなたがより変わりやすい場合、捕食者はあなたが次に何をしようとしているのかを推測できません」とサルツは言いました.
この後者の理論は、リスクから保護するためにポートフォリオを多様化することに似ているため、「ベット ヘッジ」と呼ばれています。生物学的な賭けのヘッジは、集団にさまざまな行動をもたらし、そのうちのいくつかは水銀の条件によりうまく対処できる可能性があります。たとえば、さまざまな温度に耐えることができるハエの集団は、高温または低温のみを好むハエよりも成功する可能性があります。本質的に可変性を生み出す変異は、特定の形質に固定されている変異よりも柔軟です。
De Bivort のチームは最終的に、いわゆる一般的な庭の実験でこのアイデアをテストしたいと考えています。彼らは、温度や明るさの変化など、多くの変動があるハエの生息地を作成し、変動性の低い株と高い株のどちらが生き残る可能性が高いかを評価します。 「私は、ある程度の賭けヘッジが多くの特性にとって最適であるという陣営にしっかりと入っています」とデ・ビヴォートは言いました. 「おそらく特に行動特性です。」
